CN110487450B - 一种柔性触觉传感器及其制备方法和应用 - Google Patents
一种柔性触觉传感器及其制备方法和应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种柔性触觉传感器及其制备方法和应用，包括工作电极和对电极，所述工作电极包括柔性电极以及柔性垫片层；其中，所述柔性电极靠近所述柔性垫片层的一侧具有微纳结构，所述柔性垫片层具有通孔。本发明提供的柔性触觉传感器具有柔软、灵敏度高、压力检测限低，系统结构简单，成本低，可大面积阵列化制备的优点。
Description
技术领域
本发明属于传感器技术领域，涉及一种柔性触觉传感器及其制备方法和应用。
背景技术
仿生智能传感技术在当前的信息化、智能化社会中发挥着越来越广泛的作用。其中，在人体修复学领域，利用传感技术重新赋予皮肤感觉减退患者以正常的触觉感受功能，对于患者的康复治疗及提高其生活质量具有重要意义。皮肤感觉减退是指皮肤对外界刺激感受能力降低的一种感知障碍，如强烈的疼痛刺激，只会引起轻微感觉甚至无感觉。该症状一般由神经损伤所引起，多见于癔症及神经系统器质性疾病患者，以及接受皮肤、躯干四肢等人体组织移植手术的残疾患者。现有的解决手段如仿生假肢仍然存在大量问题，例如机械假肢一般采用硬质材料制备，质地沉重，无法进行人体活动所需的多种形变，使用不便；此外，目前商用假肢不具备感知反馈功能，使用者缺乏本体感觉，易出现幻肢现象等，无法满足用户需求。
基于现有硬质仿生假肢的诸多问题，研究者提出柔性触觉传感器作为解决方案。柔性传感器通过采用弹性材料或者岛-桥式等特殊结构赋予传感器以拉伸、扭曲等硬质传感器所不具备的形变能力，能有效提高佩戴者的舒适感。柔性传感器在机理上包括电容式、电阻式、电感式、光电式和压电式等多种类型。其中电容式传感器能将外界力的刺激信号转化为电容值的变化，从而实现传感功能。该类型传感器具有响应速度快，能耗低，结构简单，信噪比低等优点，具有很好的应用前景，因而成为当前热点研究领域。
CN103983382A公开了一种全柔性电容式触觉传感器，包括设置一柔性基底，在其下表面设置有屏蔽层，在其上表面设置有柔性导电下极板和间隔环绕在柔性导电下极板外围的柔性导电上极板电极；在柔性导电下极板和柔性导电上极板电极之间罩设有倒凹形弹性电介质层，在弹性电介质层外围罩设有倒凹形柔性导电上极板，在柔性导电上极板的外围罩设有倒凹形柔性保护层。该设计将上下电极板引线收束于同一柔性基底，有利于解决传感器阵列设计中存在的引线繁琐，不易维护等问题；但是因为该传感器采用多层结构设计，存在封装困难，制备过程复杂等缺点。CN109443607A公开了一种人体仿生电子皮肤的新型感知系统结构，所述结构包括基于丙烯酰胺和氯化锂的定位层凝胶和基于离子液体BMIMBF4聚合物感知层凝胶；所述基于丙烯酰胺和氯化锂的定位层凝胶和所述基于离子液体BMIMBF4聚合物感知层凝胶之间设有VHB带；该专利有助于提高传感系统的定位精度，同时不增加系统复杂性；但是该传感器引入的离子凝胶，性质不稳定，存在生物安全隐患，且对器件封装有严格的要求，不利于实际应用。CN107941386A公开了一种基于透明生物材料的柔性力触觉传感器、敏感元件及其制备方法，敏感元件包括保水层基底及包裹在其内的水凝胶，所述水凝胶的溶质由海藻酸钠、乙二胺四乙酸二钠钙和葡萄糖酸δ-内酯以质量比2:(0.5-1.5):(0.5-1.5)构成，其中海藻酸钠的质量浓度为2-6％；传感器包括依次有线或无线连接的敏感元件、测量电路、AD转换电路和显示器；该设计采用的水凝胶体系对环境湿度和温度要求很高，制备和使用环节均需要严格的保水密封条件，同时凝胶水分的缓慢挥发会导致器件稳定性降低，长期使用存在问题。
因此，需要开发一种结构简单，灵敏度高，可采集一定区域内压力分布的柔性传感器以满足应用要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种柔性触觉传感器及其制备方法和应用。本发明提供的柔性触觉传感器具有灵敏度高，压力检测限低，结构简单，灵敏度高的优点。
为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种柔性触觉传感器，包括工作电极和对电极，所述工作电极包括柔性电极以及柔性垫片层。
其中，所述柔性电极靠近所述柔性垫片层的一侧具有微纳结构，所述柔性垫片层具有通孔。
本发明所述的微纳结构指的是柔性电极的表面具有微米尺度、纳米尺度的微纳米结构。
本发明提供的柔性触觉传感器在使用时，所述柔性电极具有微纳结构的一侧贴附于所述柔性垫片层上，所述柔性垫片层贴附于皮肤上，在柔性垫片层上具有通孔，通孔可以使柔性电极的微纳结构接触到皮肤；同时将所述对电极贴附于皮肤另一位置上构成柔性触觉传感器。
本发明并不对对电极进行限定，任何可以满足对电极要求的均可作为本发明的对电极使用，需要注意的是，对电极需要满足本发明的应用要求，即对皮肤具有优异的贴合性，可充分贴合在皮肤上；示例性的，本发明的对电极的材质可选择本发明提供的柔性电极、不带微纳结构的柔性电极、金箔或导电凝胶等。
本发明基于电容传感机理，利用人体本身具有的本征离子导体特性，将传感器贴附到皮肤上之后(柔性垫片层远离柔性电极的一侧贴附于皮肤)，皮肤与柔性电极之间会形成双电层电容，当皮肤与柔性电极之间的接触面积改变时，电容信号就会发生改变，从而可以实现传感功能，进而可以实现皮肤的高灵敏触觉感知。
本发明提供的柔性触觉传感器具有柔软、灵敏度高、压力检测限低，系统结构简单，成本低，可大面积阵列化制备的优点，其能够恢复皮肤感觉衰退患者的触觉感知功能。
在本发明中，所述微纳结构包括高径比微柱、圆锥结构、半球结构或金字塔结构，优选高径比微柱。
本发明所述的高径比微柱指的是H/D数值较大的微圆柱结构，其中H代表圆柱高度，D代表圆柱直径。
优选地，所述高径比微柱的直径为5-20μm，例如6μm、10μm、12μm、16μm、18μm等，进一步优选10μm。
优选地，所述高径比微柱的高度为10-70μm，例如20μm、30μm、40μm、50μm、60μm等，进一步优选20-50μm，更进一步优选30μm。
优选地，相邻两个所述高径比微柱之间的中心距为15-50μm，例如20μm、30μm、35μm、40μm等，进一步优选为20μm。
本发明优选直径为10μm、高度为30μm、中心距为20μm的高径比微柱，相比于其他具有更大高径比的微柱，具有容易脱模，制备成功率高等优点，而相比于具有更小高径比的微柱或圆锥结构或半球结构等，又具有受压容易变形，有利于提高灵敏度等优点。
优选地，所述微纳结构为微纳阵列结构。
本发明优选微纳结构成阵列形式排列。
优选地，所述柔性电极的基板材料为柔性高分子材料，选自聚二甲基硅氧烷和/或离子凝胶。
优选地，所述基板的厚度为30-200μm，例如40μm、50μm、80μm、100μm、120μm、150μm、180μm等，进一步优选50-100μm，更进一步优选70μm。
优选地，在所述柔性垫片层上，所述通孔的孔密度为30-60％，例如35％、40％、45％、50％、55％等。
若通孔的孔径过大，则将其贴附于皮肤上时，柔性电极可能会直接接触到皮肤，则就失去了添加柔性垫片的意义，若通孔的孔径过小，则柔性电极可能无法接触到皮肤，进而失去了传感功能。
同理，若通孔的孔密度过小或过大，则也无法达到本发明的高灵敏度检测。
优选地，所述通孔的形状选自三角形、圆形、正方形或正六边形中的任意一种或至少两种的组合，进一步优选圆形。
优选地，所述圆形的直径为5-20mm，例如8mm、10mm、12mm、15mm、18mm等，进一步优选8-15mm，更进一步优选10mm。
优选地，所述柔性垫片层为高分子薄膜层。
优选地，所述高分子薄膜选自聚碳酸酯薄膜、聚酰亚胺薄膜或聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜中的任意一种或至少两种的组合。
优选地，所述柔性垫片层的厚度为15-75μm，进一步优选20-50μm。
优选地，所述柔性电极的表面具有导电镀层。
优选地，所述导电镀层的厚度为50-150nm，例如60nm、80nm、100nm、120nm、140nm等，进一步优选80-120nm。
优选地，所述导电镀层所使用的导电材料选自金、银、铜、碳或导电聚合物中的任意一种或至少两种的组合，进一步优选金和/或银。
本发明的柔性触觉传感器可以用任何可以制备得到其的方法，本发明提供的如下的制备方法并不对其起到绝对限定作用，只是示例性的解释说明。
第二方面，本发明提供了根据第一方面所述的柔性触觉传感器的制备方法，所述工作电极的制备方法如下：
(1)在硅板上制备微纳结构，然后将其作为模板制备带有微纳结构的柔性电极基板；
(2)在步骤(1)得到的基板外侧制备导电层，得到柔性电极；
(3)在高分子薄膜上制备通孔，得到柔性垫片层；
(4)将柔性电极具有微纳结构的一侧贴覆于柔性垫片层上，得到所述工作电极。
在柔性触觉传感器工作过程中，将工作电极贴附于皮肤某一位置，对电极贴附于皮肤另一位置即可，由于对电极可用现有技术中的对电极，因此，本发明并不对对电极的制备方法进行限定。
优选地，步骤(1)具体为：在硅板上刻蚀微纳结构，得到一次模板，然后通过热压印法制备二次模板，再通过倒模得到所述带有微纳结构的柔性电极基板。
本发明所述的倒模具体可以为：采用涂覆等方式，将高分子材料涂覆于二次模板上，干燥后脱模，即倒模指的是将微纳结构从模具转移到其他高分子薄膜上的方法。
本发明之所以选择二次倒模甚至三次倒模的方式制备柔性电极，主要是考虑到若一次模板中的微纳结构与本发明的柔性电极的微纳结构相反，而硅板硬度较高，若直接采用柔性高分子利用一次模板制备柔性电极，则有可能会出现由于柔性高分子较软，微纳结构在脱模时断裂的现象。
优选地，所述二次模板的基材选自聚碳酸酯、聚酰亚胺或聚对苯二甲酸乙二醇酯中的任意一种或至少两种的组合，优选聚碳酸酯。
优选地，所述导电层的制备方法为蒸镀。
优选地，所述通孔的制备方法选自机械切割、二氧化碳激光切割或红外激光切割中的任意一种或至少两种的组合。
第三方面，本发明提供了一种根据第一方面所述的柔性触觉传感器在人机交互系统中的应用。
本发明提供的柔性触觉传感器具有高柔韧性和舒适性，可完全贴附于皮肤，可精确测量人体各种运动下的体表触觉信息；且灵敏度高，压力检测限低，可阵列化，精度高，可大面积测量采集皮肤表面压力分布信息；本发明提供的柔性触觉传感器可长期佩戴，实现对脉搏、心跳、呼吸等人体重要生命体征的不间断连续监测。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明基于电容传感机理，利用人体本身具有的本征离子导体特性，将传感器贴附到皮肤上之后(柔性垫片层远离柔性电极的一侧贴附于皮肤)，皮肤与柔性电极之间会形成双电层电容，当皮肤与柔性电极之间的接触面积改变时，电容信号就会发生改变，从而可以实现传感功能，进而可以实现皮肤的高灵敏触觉感知。
(2)本发明提供的柔性触觉传感器具有柔软、灵敏度高、压力检测限低，系统结构简单，成本低，可大面积阵列化制备的优点。
附图说明
图1是本发明实施例1提供的传感器的结构示意图。
其中，1-柔性电极；2-柔性垫片层。
图2是本发明实施例1提供的柔性电极的结构示意图。
其中，101-基板；102-高径比微柱。
图3是本发明实施例1提供的柔性垫片层的结构示意图。
其中，201-通孔。
图4是本发明实施例1提供的具有微柱结构的柔性高分子薄膜的扫描电镜图。
图5是本发明实施例1提供的具有微柱结构的柔性高分子薄膜经过压缩测试后的扫描电镜图。
图6是本发明实施例1提供的柔性触觉传感器的灵敏度测试图。
图7是本发明实施例1提供的人体脉搏测试图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
实施例1
一种柔性触觉传感器，如图1所示，由带有微纳结构的柔性电极和柔性垫片层组成，柔性电极具有微纳结构的一侧与柔性垫片层贴合。
如图2所示，柔性电极具有微纳结构阵列，微纳结构为高径比微柱；如图3所示，柔性垫片层具有圆形通孔。需要说明的是，在图中大小可能并不代表实际大小，仅作示例性说明。
制备方法如下：
(1)利用光刻技术，在硅板上刻蚀出高径比的圆孔结构，以此作为一次模板，微孔的直径为5μm，深度为10μm，微孔中心距为15μm；利用热压印技术，以聚碳酸酯高分子薄膜为转印材料，以一次模板为模板，通过转印，制备具有微柱结构的二次模板；
(2)使用聚二甲基硅氧烷为原料，利用旋涂技术，以二次模板为模板，通过两次连续倒模，得到具有微柱结构的柔性高分子薄膜，薄膜基底厚度为30μm，微柱直径为5μm，高度为10μm，微柱中心距为15μm；
(3)利用电子束真空蒸镀设备，对得到的具有微柱结构的柔性高分子薄膜蒸镀金，得到柔性电极，镀膜厚度为50nm；
(4)利用二氧化碳激光切割在聚对苯二甲酸乙二醇酯高分子薄膜上切割出圆形的孔阵列结构，得到柔性垫片层，垫片层厚度为15μm，圆孔直径为5mm；
(5)将柔性垫片层和柔性电极先后贴附在皮肤同一位置，作为传感区域；
(6)将步骤(3)得到的另一柔性电极贴附在皮肤另一位置作为对电极，得到皮肤触觉传感器。
实施例2
一种柔性触觉传感器，由带有微纳结构的柔性电极和柔性垫片层组成，柔性电极具有微纳结构的一侧与柔性垫片层贴合。
柔性电极具有微纳结构阵列，微纳结构为高径比微柱；柔性垫片层具有圆形通孔。
制备方法如下：
(1)利用光刻技术，在硅板上刻蚀出高径比的圆孔结构，以此作为一次模板，微孔的直径为15μm，深度为50μm，微孔中心距为40μm；利用热压印技术，以聚碳酸酯高分子薄膜为转印材料，以一次模板为模板，通过转印，制备具有微柱结构的二次模板；
(2)使用离子凝胶为原料，利用旋涂技术，以二次模板为模板，通过两次连续倒模，得到具有微柱结构的柔性高分子薄膜，薄膜基底厚度为50μm，微柱直径为15μm，深度为50μm，微孔中心距为40μm；
(3)利用电子束真空蒸镀设备，对得到的具有微柱结构的柔性高分子薄膜蒸镀金，得到柔性电极，镀膜厚度为60nm；
(4)利用二氧化碳激光切割在聚对苯二甲酸乙二醇酯高分子薄膜上切割出圆形的孔阵列结构，得到柔性垫片层，垫片层厚度为30μm，圆孔直径为5mm；
(5)将柔性垫片层和柔性电极先后贴附在皮肤同一位置，作为传感区域；
(6)将步骤(3)得到的另一柔性电极贴附在皮肤另一位置作为对电极，得到皮肤触觉传感器。
实施例3
一种柔性触觉传感器，由带有微纳结构的柔性电极和柔性垫片层组成，柔性电极具有微纳结构的一侧与柔性垫片层贴合。
柔性电极具有微纳结构阵列，微纳结构为高径比微柱；柔性垫片层具有圆形通孔。
制备方法如下：
(1)利用光刻技术，在硅板上刻蚀出高径比的圆孔结构，以此作为一次模板，微孔的直径为20μm，深度为30μm，微孔中心距为50μm；利用热压印技术，以聚碳酸酯高分子薄膜为转印材料，以一次模板为模板，通过转印，制备具有微柱结构的二次模板；
(2)使用聚二甲基硅氧烷为原料，利用旋涂技术，以二次模板为模板，通过两次连续倒模，得到具有微柱结构的柔性高分子薄膜，薄膜基底厚度为60μm，微柱直径为20μm，深度为30μm，微孔中心距为50μm；
(3)利用电子束真空蒸镀设备，对得到的具有微柱结构的柔性高分子薄膜蒸镀金，得到柔性电极，镀膜厚度为80nm；
(4)利用二氧化碳激光切割在聚碳酸酯高分子薄膜上切割出圆形的孔阵列结构，得到柔性垫片层，垫片层厚度为45μm，圆孔直径为10mm；
(5)将柔性垫片层和柔性电极先后贴附在皮肤同一位置，作为传感区域；
(6)将步骤(3)得到的另一柔性电极贴附在皮肤另一位置作为对电极，得到皮肤触觉传感器。
实施例4
一种柔性触觉传感器，由带有微纳结构的柔性电极和柔性垫片层组成，柔性电极具有微纳结构的一侧与柔性垫片层贴合。
柔性电极具有微纳结构阵列，微纳结构为高径比微柱；柔性垫片层具有圆形通孔。
制备方法如下：
(1)利用光刻技术，在硅板上刻蚀出高径比的圆孔结构，以此作为一次模板，微孔的直径为10μm，深度为30μm，微孔中心距为35μm；利用热压印技术，以聚碳酸酯高分子薄膜为转印材料，以一次模板为模板，通过转印，制备具有微柱结构的二次模板；
(2)使用聚二甲基硅氧烷为原料，利用旋涂技术，以二次模板为模板，通过两次连续倒模，得到具有微柱结构的柔性高分子薄膜，薄膜基底厚度为80μm，微柱直径为10μm，深度为30μm，微孔中心距为35μm；
(3)利用电子束真空蒸镀设备，对得到的具有微柱结构的柔性高分子薄膜蒸镀金，得到柔性电极，镀膜厚度为80nm；
(4)利用二氧化碳激光切割在聚酰亚胺高分子薄膜上切割出圆形的孔阵列结构，得到柔性垫片层，垫片层厚度为60μm，圆孔直径为10mm；
(5)将柔性垫片层和柔性电极先后贴附在皮肤同一位置，作为传感区域；
(6)将步骤(3)得到的另一柔性电极贴附在皮肤另一位置作为对电极，得到皮肤触觉传感器。
实施例5
一种柔性触觉传感器，由带有微纳结构的柔性电极和柔性垫片层组成，柔性电极具有微纳结构的一侧与柔性垫片层贴合。
柔性电极具有微纳结构阵列，微纳结构为高径比微柱；柔性垫片层具有圆形通孔。
制备方法如下：
(1)利用光刻技术，在硅板上刻蚀出高径比的圆孔结构，以此作为一次模板，微孔的直径为5μm，深度为10μm，微孔中心距为30μm；利用热压印技术，以聚碳酸酯高分子薄膜为转印材料，以一次模板为模板，通过转印，制备具有微柱结构的二次模板；
(2)使用聚二甲基硅氧烷为原料，利用旋涂技术，以二次模板为模板，通过两次连续倒模，得到具有微柱结构的柔性高分子薄膜，薄膜基底厚度为80μm，微柱直径为5μm，深度为10μm，微孔中心距为30μm；
(3)利用电子束真空蒸镀设备，对得到的具有微柱结构的柔性高分子薄膜蒸镀金，得到柔性电极，镀膜厚度为100nm；
(4)利用二氧化碳激光切割在聚对苯二甲酸乙二醇酯高分子薄膜上切割出圆形的孔阵列结构，得到柔性垫片层，垫片层厚度为75μm，圆孔直径为15mm；
(5)将柔性垫片层和柔性电极先后贴附在皮肤同一位置，作为传感区域；
(6)将步骤(3)得到的另一柔性电极贴附在皮肤另一位置作为对电极，得到皮肤触觉传感器。
实施例6
一种柔性触觉传感器，由带有微纳结构的柔性电极和柔性垫片层组成，柔性电极具有微纳结构的一侧与柔性垫片层贴合。
柔性电极具有微纳结构阵列，微纳结构为高径比微柱；柔性垫片层具有圆形通孔。
制备方法如下：
(1)利用光刻技术，在硅板上刻蚀出高径比的圆孔结构，以此作为一次模板，微孔的直径为20μm，深度为70μm，微孔中心距为50μm；利用热压印技术，以聚碳酸酯高分子薄膜为转印材料，以一次模板为模板，通过转印，制备具有微柱结构的二次模板；
(2)使用聚二甲基硅氧烷为原料，利用旋涂技术，以二次模板为模板，通过两次连续倒模，得到具有微柱结构的柔性高分子薄膜，薄膜基底厚度为200μm，微柱直径为20μm，深度为70μm，微孔中心距为50μm；
(3)利用电子束真空蒸镀设备，对得到的具有微柱结构的柔性高分子薄膜蒸镀金，得到柔性电极，镀膜厚度为150nm；
(4)利用二氧化碳激光切割在聚对苯二甲酸乙二醇酯高分子薄膜上切割出圆形的孔阵列结构，得到柔性垫片层，垫片层厚度为60μm，圆孔直径为20mm；
(5)将柔性垫片层和柔性电极先后贴附在皮肤同一位置，作为传感区域；
(6)将厚度为100nm的金箔电极贴附在皮肤另一位置作为对电极，得到皮肤触觉传感器。
实施例7
一种柔性触觉传感器，由带有微纳结构的柔性电极和柔性垫片层组成，柔性电极具有微纳结构的一侧与柔性垫片层贴合。
柔性电极具有微纳结构阵列，微纳结构为高径比微柱；柔性垫片层具有圆形通孔。
制备方法如下：
(1)利用光刻技术，在硅板上刻蚀出高径比的圆孔结构，以此作为一次模板，微孔的直径为10μm，深度为50μm，微孔中心距为40μm；利用热压印技术，以聚碳酸酯高分子薄膜为转印材料，以一次模板为模板，通过转印，制备具有微柱结构的二次模板；
(2)使用聚二甲基硅氧烷为原料，利用旋涂技术，以二次模板为模板，通过两次连续倒模，得到具有微柱结构的柔性高分子薄膜，薄膜基底厚度为70μm，微柱直径为10μm，深度为50μm，微孔中心距为40μm；
(3)利用电子束真空蒸镀设备，对得到的具有微柱结构的柔性高分子薄膜蒸镀金，得到柔性电极，镀膜厚度为100nm；
(4)利用二氧化碳激光切割在聚对苯二甲酸乙二醇酯高分子薄膜上切割出圆形的孔阵列结构，得到柔性垫片层，垫片层厚度为75μm，圆孔直径为20mm；
(5)将柔性垫片层和柔性电极先后贴附在皮肤同一位置，作为传感区域；
(6)将厚度为100nm的金箔电极贴附在皮肤另一位置作为对电极，得到皮肤触觉传感器
实施例8
一种柔性触觉传感器，由带有微纳结构的柔性电极和柔性垫片层组成，柔性电极具有微纳结构的一侧与柔性垫片层贴合。
柔性电极具有微纳结构阵列，微纳结构为高径比微柱；柔性垫片层具有圆形通孔。
制备方法如下：
(1)利用光刻技术，在硅板上刻蚀出高径比的圆孔结构，以此作为一次模板，微孔的直径为10μm，深度为50μm，微孔中心距为40μm；利用热压印技术，以聚碳酸酯高分子薄膜为转印材料，以一次模板为模板，通过转印，制备具有微柱结构的二次模板；
(2)使用聚二甲基硅氧烷为原料，利用旋涂技术，以二次模板为模板，通过两次连续倒模，得到具有微柱结构的柔性高分子薄膜，薄膜基底厚度为30μm，微柱直径为10μm，深度为50μm，微孔中心距为40μm；
(3)利用电子束真空蒸镀设备，对得到的具有微柱结构的柔性高分子薄膜蒸镀金，得到柔性电极，镀膜厚度为120nm；
(4)利用二氧化碳激光切割在聚对苯二甲酸乙二醇酯高分子薄膜上切割出圆形的孔阵列结构，得到柔性垫片层，垫片层厚度为75μm，圆孔直径为20mm；
(5)将柔性垫片层和柔性电极先后贴附在皮肤同一位置，作为传感区域；
(6)将步骤(3)得到的另一柔性电极贴附在皮肤另一位置作为对电极，得到皮肤触觉传感器。
实施例9
一种柔性触觉传感器，由带有微纳结构的柔性电极和柔性垫片层组成，柔性电极具有微纳结构的一侧与柔性垫片层贴合。
柔性电极具有微纳结构阵列，微纳结构为半球结构；柔性垫片层具有圆形通孔。
制备方法如下：
(1)利用光刻技术，在硅板上刻蚀出高径比的圆球孔结构，以此作为一次模板，半球孔的直径为10μm，微孔中心距为40μm；利用热压印技术，以聚碳酸酯高分子薄膜为转印材料，以一次模板为模板，通过转印，制备具有微柱结构的二次模板；
(2)使用聚二甲基硅氧烷为原料，利用旋涂技术，以二次模板为模板，通过两次连续倒模，得到具有微柱结构的柔性高分子薄膜，薄膜基底厚度为30μm，微柱直径为10μm，微孔中心距为40μm；
(3)利用电子束真空蒸镀设备，对得到的具有微柱结构的柔性高分子薄膜蒸镀金，得到柔性电极，镀膜厚度为120nm；
(4)利用二氧化碳激光切割在聚对苯二甲酸乙二醇酯高分子薄膜上切割出圆形的孔阵列结构，得到柔性垫片层，垫片层厚度为75μm，圆孔直径为20mm；
(5)将柔性垫片层和柔性电极先后贴附在皮肤同一位置，作为传感区域；
(6)将步骤(3)得到的另一柔性电极贴附在皮肤另一位置作为对电极，得到皮肤触觉传感器。
实施例10
与实施例1的区别仅在于，在本实施例中，将蒸镀的导电材料替换为银。
实施例11
与实施例1的区别仅在于，在本实施例中，将蒸镀的导电材料替换为碳。
实施例12
与实施例1的区别仅在于，在本实施例中，将垫片层的上的圆孔结构替换为等边三角形，边长1mm。
对比例1
与实施例1的区别仅在于，在本对比例中，去除柔性垫片层。
对比例2
与实施例9的区别仅在于，在本对比例中，将传感区域的柔性电极(带有微纳结构)替换为没有微纳结构的厚度为替换为没有微纳结构的厚度与柔性电极基板相同的金箔电极。
对比例3
与实施例1的区别在于，在本对比例中，柔性电极为表面蒸镀金膜的聚二甲基硅氧烷(不带有微纳结构)，其中，聚二甲基硅氧烷厚度为30μm，镀膜厚度为50nm。
性能测试
对实施例1-12和对比例1-3中提供的传感器进行性能测试，方法如下：
(1)形貌表征：利用扫描电子显微镜观察实施例1步骤(2)得到的具有微柱结构的柔性高分子薄膜。
图4为实施例1提供的具有微柱结构的柔性高分子薄膜的扫描电镜图，图5为实施例1提供的具有微柱结构的柔性高分子薄膜经过压缩测试后的扫描电镜图。从图中可以看出电极整体结构规整，并且具有良好的弹性，经过压缩之后，微柱结构保持竖直状态，没有出现结构损伤，体现了电极的耐用性。
(2)灵敏度测试：利用万能拉力机对样品施加一定的压力，同时使用电容表测试并记录样品电容值的变化，测试频率设置为1×105Hz，然后计算样品的灵敏度。
图6为本发明实施例1提供的柔性触觉传感器的灵敏度测试图，由图可知，本发明提供传感器在0-16kPa范围内灵敏度均在1kPa-1以上，最高可达到11.8kPa-1；在现有技术中，具有金字塔微纳结构的电极的灵敏度最高可达0.55kPa-1；具有乳突状介电层微结构的器件灵敏度最高可达1.5kPa-1；具有微球介电层结构及乳突微电极结构的器件灵敏度为0.815kPa-1；
由此说明，相对于同类型的采用微球结构电极或者微圆锥结构电极或者平板电极(无微结构)，本发明提供的柔性触觉传感器的灵敏度具有较大提升。
(3)脉搏测试：将实施例1中所制备的传感器贴附于受测人(健康男性，25岁)的左手手腕的桡动脉处，利用导线将传感器与电容测试仪器LCR表进行连接，测试频率为1×105Hz；
传感器和皮肤之间可以构成一个离子电容器，因为血管脉动导致皮肤发生微小起伏，从而透过柔性垫片层与柔性电极接触，导致皮肤与电极接触面积发生变化，进而导致电容改变；LCR表可以实时记录电容变化曲线，从而反映人体脉搏情况。
图7为本发明实施例1提供的人体脉搏测试图，由图可知，本发明提供的柔性触觉传感器可以清晰的反映出人体脉搏跳动的多个特征峰，表明本发明提供的柔性触觉传感器具有较高的灵敏度。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的柔性触觉传感器及其制备方法和应用，但本发明并不局限于上述工艺步骤，即不意味着本发明必须依赖上述工艺步骤才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (32)
1.一种柔性触觉传感器，其特征在于，包括工作电极和对电极，所述工作电极包括柔性电极以及柔性垫片层；
其中，所述柔性电极靠近所述柔性垫片层的一侧具有微纳结构，所述柔性垫片层具有通孔；
所述微纳结构为同一规格的高径比微柱；
所述高径比微柱的直径为5-20μm，高度为10-70μm；相邻两个所述高径比微柱之间的中心距为15-50μm。
2.根据权利要求1所述的柔性触觉传感器，其特征在于，所述高径比微柱的直径为10μm。
3.根据权利要求2所述的柔性触觉传感器，其特征在于，所述高径比微柱的高度为20-50μm。
4.根据权利要求3所述的柔性触觉传感器，其特征在于，所述高径比微柱的高度为30μm。
5.根据权利要求1所述的柔性触觉传感器，其特征在于，相邻两个所述高径比微柱之间的中心距为20μm。
6.根据权利要求1所述的柔性触觉传感器，其特征在于，所述微纳结构为微纳阵列结构。
7.根据权利要求1所述的柔性触觉传感器，其特征在于，所述柔性电极的基板材料为柔性高分子材料，选自聚二甲基硅氧烷和/或离子凝胶。
8.根据权利要求7所述的柔性触觉传感器，其特征在于，所述基板的厚度为30-200μm。
9.根据权利要求8所述的柔性触觉传感器，其特征在于，所述基板的厚度为50-100μm。
10.根据权利要求9所述的柔性触觉传感器，其特征在于，所述基板的厚度为70μm。
11.根据权利要求1所述的柔性触觉传感器，其特征在于，在所述柔性垫片层上，所述通孔的孔密度为30％-60％。
12.根据权利要求1所述的柔性触觉传感器，其特征在于，所述通孔的形状选自三角形、圆形、正方形或正六边形中的任意一种或至少两种的组合。
13.根据权利要求12所述的柔性触觉传感器，其特征在于，所述通孔的形状为圆形。
14.根据权利要求13所述的柔性触觉传感器，其特征在于，所述圆形的直径为5-20mm。
15.根据权利要求14所述的柔性触觉传感器，其特征在于，所述圆形的直径为8-15mm。
16.根据权利要求15所述的柔性触觉传感器，其特征在于，所述圆形的直径为10mm。
17.根据权利要求1所述的柔性触觉传感器，其特征在于，所述柔性垫片层为高分子薄膜层。
18.根据权利要求17所述的柔性触觉传感器，其特征在于，所述高分子薄膜选自聚碳酸酯薄膜、聚酰亚胺薄膜或聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜中的任意一种或至少两种的组合。
19.根据权利要求1所述的柔性触觉传感器，其特征在于，所述柔性垫片层的厚度为15-75μm。
20.根据权利要求19所述的柔性触觉传感器，其特征在于，所述柔性垫片层的厚度为20-50μm。
21.根据权利要求1所述的柔性触觉传感器，其特征在于，所述柔性电极的表面具有导电镀层。
22.根据权利要求21所述的柔性触觉传感器，其特征在于，所述导电镀层的厚度为50-150nm。
23.根据权利要求22所述的柔性触觉传感器，其特征在于，所述导电镀层的厚度为80-120nm。
24.根据权利要求21所述的柔性触觉传感器，其特征在于，所述导电镀层所使用的导电材料选自金、银、铜、碳或导电聚合物中的任意一种或至少两种的组合。
25.根据权利要求24所述的柔性触觉传感器，其特征在于，所述导电镀层所使用的导电材料选自金和/或银。
26.根据权利要求1-25中的任一项所述的柔性触觉传感器的制备方法，其特征在于，所述工作电极的制备方法如下：
(1)在硅板上制备微纳结构，然后将其作为模板制备带有微纳结构的柔性电极基板；
(2)在步骤(1)得到的基板外侧制备导电层，得到柔性电极；
(3)在高分子薄膜上制备通孔，得到柔性垫片层；
(4)将柔性电极具有微纳结构的一侧贴覆于柔性垫片层上，得到所述工作电极。
27.根据权利要求26所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)具体为：在硅板上刻蚀微纳结构，得到一次模板，然后通过热压印法制备二次模板，再通过倒模得到所述带有微纳结构的柔性电极基板。
28.根据权利要求27所述的制备方法，其特征在于，所述二次模板的基材选自聚碳酸酯、聚酰亚胺或聚对苯二甲酸乙二醇酯中的任意一种或至少两种的组合。
29.根据权利要求28所述的制备方法，其特征在于，所述二次模板的基材为聚碳酸酯。
30.根据权利要求26所述的制备方法，其特征在于，所述导电层的制备方法为蒸镀。
31.根据权利要求26所述的制备方法，其特征在于，所述通孔的制备方法选自机械切割、二氧化碳激光切割或红外激光切割中的任意一种或至少两种的组合。
32.根据权利要求1-25中的任一项所述的柔性触觉传感器在人机交互系统中的应用。
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